可编程光子处理器新范式：《APL Photonics》封面级成果展示多功能集成突破
导语
当5G/6G基站面临毫米波处理瓶颈，当自动驾驶雷达受限于电子芯片算力，一支由中国华为加拿大实验室与西班牙高校组成的团队，在最新发表于顶级光学期刊《APL Photonics》的论文中，给出了颠覆性答案——全球首款多功能集成微波光子处理器横空出世！
核心团队与突破意义
瓦伦西亚理工大学Pablo Martinez团队联合华为渥太华研究中心科学家Tan Huy-Ho，在硅光芯片上实现三大核心功能集成：
100GHz任意波形生成（雷达信号合成）
32GHz可调带宽滤波（抗干扰核心）
-35°~18°超宽带波束成形（5G/6G基站关键技术）
这意味着指甲盖大小的芯片（4×12mm²），可替代传统多模块电子系统！
光子芯片的“三重变身术
1. 信号发生器：电子芯片无法企及的速度
传统电子DAC受限于GHz级瓶颈
光子方案：4.4ps光脉冲通过精准延时线（10ps步进）
生成100GHz射频波形（锯齿波/矩形波等，见图4实测）
应用于毫米波雷达、高速通信系统
2. “变形金刚”滤波器：带宽实时重构
首创分光树动态调谐技术
单芯片实现12种滤波形态切换
带宽从8.45GHz到32.1GHz无缝调节
解决多频段通信系统重复部署痛点
3. 波束成形：让基站信号“指哪打哪”
通过指数级延迟阵列（ΔT=2ᵐU）
在7-16.5GHz频段实现无畸变扫描
误差角＜0.1°（传统电子方案＞1°）
大幅提升5G基站覆盖精度（图10辐射图）
图 1. (a)所提出的硅光子信号处理器的概念示意图，该处理器专为多用途光子处理应用而设计。(b)所提出架构的通用示意图，包含N条线路和M个延迟级。输入端的可调分束器树（以绿色突出显示）将光分配到各条线路。马赫-曾德尔干涉仪（MZIs）引导光通过延迟级，最终到达后端，在此处用于在两种可能的输出之间进行切换：波束形成输出（以红色突出显示）和组合输出（以蓝色突出显示）。
图 2. (a)实验演示芯片的版图布局。(b)在SOI平台上制造出的器件显微照片（尺寸为4×1.2mm²）。
图 3. (a)用于阵列波导光栅(AWG)测量的实验装置示意图。(b)用于延迟特性和滤波器测量的实验装置示意图。
图 4. (a)延迟线的射频(RF)特性测量结果。每一列代表从架构中第一条到最后一条延迟线的测量结果，而彩色线条表示所有线路的不同比特配置参数。(b)测量得到的不同峰间时间间隔和形状（包括矩形、锯齿形和高斯轮廓）下的波形。
图 5. 所有12种两抽头滤波器组合的仿真与测量结果对比图，按ΔT值从小到大的递增顺序排列。
图 6. 使用三条线路时的仿真与实测滤波器响应对比。
图 7. 同时馈入所有线路时测得的滤波器响应，显示带宽分别为21.5GHz、10.3GHz和7.8GHz。
图 8. (a)应用于四抽头滤波器的高斯窗函数示意图，其中分配到每条线路的光功率P遵循高斯函数的分布轮廓。(b)抽头间延迟ΔT=U时滤波器的测量结果。
图 9. (a) 用于控制加工完成的芯片以利用第四条线路合成格型滤波器的方法示意图。(b) 使用一组一致的耦合系数（κ₁=0.8,κ₂=0.7,κ₃=0.5）在所有线路上实现相同滤波器的结果。
图 10. 基于在发射频率7GHz、10GHz和16.5GHz下测得的延迟值，所有比特配置下的仿真辐射方向图。
图 11. 可扩展性研究中针对不同线路数量和延迟级数计算得出的最大系统损耗。
结语
这项研究标志着微波光子学从单一功能模块向通用化处理平台的跨越，被审稿人评价为“大规模高性能光子集成的里程碑”。随着华为等企业的产业化推进，未来基站或搭载此类芯片，彻底改变无线通信架构。
当电子芯片在毫米波前“气喘吁吁”，光子芯片已悄然推开太赫兹时代的大门。这项突破印证了论文中的预言：“光子集成不是选择，而是通信进化的必然路径”。
doi：https://doi.org/10.1063/5.0252050
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